采用ARM9處理器S3C2410的數(shù)字多路語(yǔ)音記錄器設(shè)計(jì)

1． 引言

數(shù)字多路語(yǔ)音記錄器在安全、監(jiān)控方面有很多應(yīng)用。一些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案基于工控機(jī)，用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的A/D轉(zhuǎn)換，用軟件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音編解碼，這種方案成本高、功耗大。如果采用嵌入式的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)同樣的功能，并且具有低成本，低功耗的特點(diǎn)。

普通的低成本嵌入式處理器性能不高，不足以實(shí)現(xiàn)多路語(yǔ)音的實(shí)時(shí)編碼、解碼，需要用專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)音處理芯片完成這一工作。基于DSP自主設(shè)計(jì)語(yǔ)音編碼器是一種方法，但工作量大。AC48304廣泛應(yīng)用于各種小型VOIP網(wǎng)關(guān)中，價(jià)格低廉，是一種很好的替代方案。同時(shí)AC48304還具有DTMF識(shí)別和靜音檢測(cè)等功能，便于實(shí)現(xiàn)電話(huà)號(hào)碼識(shí)別和語(yǔ)音的自動(dòng)記錄。

ARM是一種應(yīng)用廣泛的嵌入式處理器，Samsung、Atmel等廠(chǎng)家生產(chǎn)的ARM處理器接口豐富，技術(shù)支持全面。ARM處理器價(jià)格低、性?xún)r(jià)比高，向下取代了大量單片機(jī)的應(yīng)用，向上滲透高端嵌入式處理器的市場(chǎng)。在本多路語(yǔ)音記錄器中，采用了Samsung的ARM9處理器S3C2410，操作系統(tǒng)則采用了嵌入式linux。

2． 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

語(yǔ)音記錄器包括語(yǔ)音處理模塊、ARM系統(tǒng)模塊、硬盤(pán)記錄模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊幾個(gè)部分。為使系統(tǒng)配置靈活，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主控板和擴(kuò)展板兩個(gè)部分，在主控板上實(shí)現(xiàn)16路語(yǔ)音通道，另設(shè)計(jì)一個(gè)16通道的語(yǔ)音擴(kuò)展板，整個(gè)系統(tǒng)可以用4的倍數(shù)進(jìn)行語(yǔ)音通道的擴(kuò)展，最多達(dá)到32個(gè)語(yǔ)音通道。計(jì)算機(jī)控制部分集成S3C2410 處理器、64MB SDRAM及16MB 的FLASH，構(gòu)成一個(gè)嵌入式小系統(tǒng)。

語(yǔ)音CODEC采用AMD的LE58QL021，該器件是3.3V單電壓用戶(hù)線(xiàn)語(yǔ)音處理器，在小型語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)中是AC48304的常用搭配，支持4通道語(yǔ)音AD/DA，支持E1 PCM Highway，能與AC48304實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。LE58QL021的工作模式可軟件編程控制，ARM通過(guò)MPI（Microprocessor Interface）串行控制總線(xiàn)設(shè)置LE58QL021的各種工作參數(shù)。

基于DM9000網(wǎng)絡(luò)控制器，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，Linux操作系統(tǒng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)支持。IDE接口則是由一片CPLD實(shí)現(xiàn)，硬盤(pán)用于語(yǔ)音的本地記錄。主要部分電路原理見(jiàn)圖1。



圖1 語(yǔ)音處理模塊的硬件電路原理圖

3． AC48304語(yǔ)音處理器

AC48304是AudioCodes公司基于DSP設(shè)計(jì)的一個(gè)四通道語(yǔ)音處理器，支持多種標(biāo)準(zhǔn)、多種碼率的G系列語(yǔ)音編碼器，如G.723.1，G.711，G.726和G.729等，支持T.38傳真中繼和其他語(yǔ)音信號(hào)處理功能。在系統(tǒng)中，ARM通過(guò)CPU局部總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)AC48304的控制及數(shù)據(jù)交換。AC48304與LE58QL021之間通過(guò)E1 PCM Highway接口實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)字語(yǔ)音接口。E1接口由2.048Mhz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，有0"31共32個(gè)8位時(shí)隙，工作時(shí)序如圖2所示。



圖2 PCM Highway時(shí)序 [!--empirenews.page--]
AC48304是一種專(zhuān)用的語(yǔ)音處理DSP芯片，需要運(yùn)行相應(yīng)的DSP程序。正常運(yùn)行前， AC48304有兩個(gè)程序需要下載：kernel（內(nèi)核）程序和application（應(yīng)用）程序。kernel程序是個(gè)只有幾百字節(jié)的小程序，完成DSP的初始化工作，為下載應(yīng)用程序做準(zhǔn)備。application程序則完成AC48304的所有功能，在kernel程序程序下載完成后，才可以下載application程序。AC48304有4個(gè)工作模式：內(nèi)核下載模式、程序下載模式、初始化模式、運(yùn)行模式。其中運(yùn)行模式有兩個(gè)狀態(tài)：空閑狀態(tài)和激活狀態(tài)，用戶(hù)只能在空閑狀態(tài)改變芯片的工作參數(shù)。

4． 軟件設(shè)計(jì)

4．1Linux中的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux具有效率高、內(nèi)核小的優(yōu)點(diǎn)，且開(kāi)放源代碼，完全免費(fèi)。在Linux操作系統(tǒng)下，應(yīng)用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，盡管Linux在ARM平臺(tái)上有較完整的板級(jí)支持包，但在該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作中仍然要完成部分設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，包括AC48304驅(qū)動(dòng)程序、LE58QL021驅(qū)動(dòng)程序、S-EEPROM驅(qū)動(dòng)程序等。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要為應(yīng)用軟件提供設(shè)備打開(kāi)、關(guān)閉、設(shè)備控制及數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)等接口， 即一些類(lèi)似于open、close、read和write的函數(shù)，在主程序中直接采用文件讀寫(xiě)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。LE58QL021與ARM處理器之間采用MPI串行控制總線(xiàn)，MPI驅(qū)動(dòng)接口結(jié)構(gòu)定義如下：  

static file_operations mpi_ctl_fops = {

ioctl:mpi_ctl_ioctl, //設(shè)備控制

open:mpi_open, //打開(kāi)設(shè)備

close:mpi

_ close, //關(guān)閉設(shè)備

}

linux提供ioremap函數(shù)將I/O內(nèi)存資源的物理地址映射到核心虛地址空間，然后可像操作寄存器那樣進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，必須提供兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)是module_init()，insmod在加載此模塊的時(shí)候自動(dòng)調(diào)用，負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化工作，一個(gè)函數(shù)是module_exit，在模塊被卸載時(shí)調(diào)用，負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的清除工作。

4．2 AC48304的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)

每個(gè)AC48304可同時(shí)進(jìn)行4個(gè)通道的語(yǔ)音編/解碼，片內(nèi)有數(shù)據(jù)緩存區(qū)，編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在各通道的緩存區(qū)，然后依次拷貝到輸出緩沖區(qū)。表1為本系統(tǒng)支持的幾種主要語(yǔ)音編碼格式的相關(guān)參數(shù)。其中G.711的A/u律數(shù)據(jù)量最大為64kbps，每個(gè)通道每秒有8000字節(jié)的數(shù)據(jù)，而AC48304的數(shù)據(jù)讀取區(qū)的有效量為80字節(jié)，即每秒鐘要進(jìn)行100次的讀取操作，對(duì)每個(gè)AC48304而言每秒鐘要進(jìn)行400次讀取操作才能保證數(shù)據(jù)及時(shí)讀取。由于語(yǔ)音編碼包是以恒定的速率產(chǎn)生的，因此每2.5毫秒必須對(duì)DSP進(jìn)行一次讀取操作。本平臺(tái)的Linux內(nèi)核中，進(jìn)
程調(diào)度算法的時(shí)間單位為10毫秒，在進(jìn)程中執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取操作很難保證數(shù)據(jù)及時(shí)讀取，如果某個(gè)服務(wù)進(jìn)程或者是本進(jìn)程中的某個(gè)控制操作執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)造成語(yǔ)音數(shù)據(jù)的丟失。

表1：語(yǔ)音數(shù)據(jù)特性


Linux中程序運(yùn)行的環(huán)境分為內(nèi)核空間和用戶(hù)空間，內(nèi)核空間的程序優(yōu)先級(jí)高于用戶(hù)空間。為保證編碼數(shù)據(jù)被及時(shí)讀取，需在內(nèi)核級(jí)別的進(jìn)程中定時(shí)讀取AC48304產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。有兩種方式可將用戶(hù)程序加入到內(nèi)核空間中運(yùn)行：修改Linux內(nèi)核源代碼，直接將用戶(hù)程序代碼編譯到內(nèi)核中；利用Linux的模塊機(jī)制，動(dòng)態(tài)的將用戶(hù)程序代碼添加到內(nèi)核空間中運(yùn)行。第一種方法實(shí)現(xiàn)難度比較大，而且容易出錯(cuò)。第二種方法實(shí)現(xiàn)難度小，效果與第一種相同，本系統(tǒng)中采用的是第二種方法。

將AC48304的讀取操作作為驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用insmod命令動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中去，在定時(shí)中斷的服務(wù)函數(shù)中讀取AC48304的數(shù)據(jù)。S3C2410中有5個(gè)用戶(hù)可編程的時(shí)鐘中斷，中斷優(yōu)先級(jí)別高，中斷的頻率可編程控制，其中時(shí)鐘中斷Timer3已用于DMA控制，Tmer4用于進(jìn)程調(diào)度。本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中使用Timer2，通過(guò)配置相關(guān)控制寄存器將Timer2的中斷頻率設(shè)為500HZ，適當(dāng)?shù)脑黾幼x取查詢(xún)操作頻率，保證數(shù)據(jù)及時(shí)讀取。中斷服務(wù)函數(shù)是由內(nèi)核來(lái)執(zhí)行的，優(yōu)先級(jí)高于用戶(hù)程序，可保證讀取操作的實(shí)時(shí)性。為AC48304的每個(gè)通道分配一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，定時(shí)中斷函數(shù)中讀取的數(shù)據(jù)先保存在緩沖區(qū)中，用戶(hù)程序通過(guò)讀取該緩沖區(qū)獲得語(yǔ)音數(shù)據(jù)，這樣對(duì)外部用戶(hù)而言，語(yǔ)音數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失，語(yǔ)音延遲在毫秒級(jí)別，完全可以滿(mǎn)足需求。 [!--empirenews.page--]
4．3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

將應(yīng)用程序及驅(qū)動(dòng)程序文件加入文件系統(tǒng)中，修改有關(guān)啟動(dòng)的配置文件，使得系統(tǒng)啟動(dòng)完畢時(shí)自動(dòng)加載目標(biāo)程序，這樣每次設(shè)備啟動(dòng)時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入應(yīng)用程序。主程序流程如圖3所示，主程序的功能主要是：

u 系統(tǒng)配置：系統(tǒng)的配置表存儲(chǔ)在一片S-EEPROM中，配置表可以通過(guò)串口終端或者網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)配置。

u 初始化系統(tǒng)：包括向DSP下載內(nèi)核程序和應(yīng)用程序，啟動(dòng)DSP及LE58QL021等。

u 語(yǔ)音數(shù)據(jù)讀寫(xiě)：通過(guò)DSP的HPI總線(xiàn)讀取DSP數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集，通過(guò)HPI把數(shù)據(jù)寫(xiě)入DSP實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音回放。

u 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：根據(jù)錄音計(jì)劃將需要錄音的語(yǔ)音數(shù)據(jù)保存到硬盤(pán)中。

u 命令處理：包括選擇語(yǔ)音通道命令、回放命令、校時(shí)命令、增益調(diào)節(jié)命令、配置表傳輸命令、錄音數(shù)據(jù)上傳命令等。



圖3.主程序流程圖

5． 結(jié)束語(yǔ)

本記錄器最多支持32路語(yǔ)音實(shí)時(shí)處理，在硬盤(pán)上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間錄音，并可通過(guò)10/100Mbps以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和管理。經(jīng)測(cè)試本記錄器可以很好的完成語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲(chǔ)、解壓縮和回放，內(nèi)核級(jí)別的用戶(hù)進(jìn)程運(yùn)行正常，保證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該語(yǔ)音記錄器具有低成本、低功耗、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。